FR-4 jest najczęstszym materiałem stosowanym do płytek drukowanych, składającym się z włókna szklanego i żywicy epoksydowej. Jest mocny, lekki i zapewnia dobrą izolację, dzięki czemu najlepiej nadaje się do wielu urządzeń elektronicznych. W tym artykule wyjaśniono strukturę, właściwości, stopnie, ograniczenia i czynniki projektowe FR-4, podając szczegółowe informacje na temat tego, kiedy i jak należy go używać.
Klasa C1. Przegląd FR-4
Klasa C2. Struktura laminatu FR-4
Klasa C3. Właściwości elektryczne FR-4
Klasa C4. Właściwości termiczne FR-4
Klasa C5. Grubość FR-4 i opcje układania w stos
Klasa C6. Wykorzystanie FR-4 do projektowania PCB
Klasa C7. Ograniczenia FR-4 i lepsze alternatywy
Klasa C8. Gatunki i zastosowania FR-4
Klasa C9. Problemy z integralnością sygnału w FR-4
Klasa C10. Zagrożenia związane z wilgocią i niezawodnością w FR-4
Klasa C11. Czynniki, które należy sprawdzić przed zakupem FR-4
Klasa C12. Konkluzja
Klasa C13. Często zadawane pytania [FAQ]
Przegląd FR-4
FR-4 jest najpowszechniejszym materiałem używanym do produkcji obwodów drukowanych (PCB). Wykonany jest z włókna szklanego i żywicy epoksydowej, dzięki czemu jest zarówno mocny, jak i dobrze izoluje energię elektryczną. FR oznacza trudnopalny, co oznacza, że jest odporny na spalanie, ale nie zawsze oznacza to, że spełnia surową normę bezpieczeństwa przeciwpożarowego UL 94 V-0.
Ten materiał jest popularny, ponieważ jest lekki, trwały i niedrogi. Dobrze radzi sobie również z odpornością na wilgoć i ciepło, co pomaga obwodom elektronicznym zachować stabilność. Innym powodem, dla którego stosuje się FR-4, jest to, że można go łatwo formować w płyty jednowarstwowe lub wielowarstwowe bez zwiększania kosztów.
Struktura laminatu FR-4
Ten obraz przedstawia warstwową strukturę laminatu FR-4; najczęstszy materiał stosowany w płytkach obwodów drukowanych (PCB). Na górze i na dole arkusze folii miedzianej tworzą warstwy przewodzące, które później zostaną wytrawione we wzorach obwodów. Pomiędzy tymi miedzianymi blachami znajduje się rdzeń: tkana tkanina szklana impregnowana żywicą epoksydową. Splot szklany zapewnia wytrzymałość mechaniczną i stabilność wymiarową, a żywica epoksydowa wiąże włókna i dodaje sztywności. Razem tworzą izolacyjną, a jednocześnie trwałą podstawę. Połączenie folii miedzianej, włókna szklanego i żywicy epoksydowej sprawia, że FR-4 jest mocny, ognioodporny i idealny do podtrzymywania i ochrony ścieżek PCB.
Właściwości elektryczne FR-4
| Parametr | Seria FR-4 |
|---|---|
| Stała dielektryczna (Dk) | 3,8 – 4,8 |
| Współczynnik rozpraszania (df) | \~0,018 – 0,022 |
| Wytrzymałość dielektryczna | >50 kV/mm |
| Stabilność | Różni się w zależności od częstotliwości i splotu szkła |
Właściwości termiczne FR-4
| Nieruchomość | Standardowy FR-4 | Wysokiej jakości FR-4 |
|---|---|---|
| Temperatura zeszklenia (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Temperatura rozkładu (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Czas do rozwarstwienia (T260 / T288) | Niższy opór | Wyższa odporność |
Grubość FR-4 i opcje układania w stos
| Grubość / Typ | Zalety | Ograniczenia | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cienki (<0,5 mm) | Lekki, kompaktowy, elastyczny | Kruchy, trudniejszy w obsłudze podczas montażu | Standardowy (1,6 mm) | Domyślny w branży, powszechnie dostępny, ekonomiczny | Może ograniczać ultrakompaktowe konstrukcje lub konstrukcje o dużej gęstości | Gruby (>2 mm) | Zapewnia sztywność i lepszą odporność na wibracje | Zwiększa całkowitą wagę i koszt |
| Niestandardowe stosy wielowarstwowe | Umożliwia kontrolę impedancji, obsługuje sygnały o dużej prędkości i poprawia ekranowanie EMI | Wymaga precyzyjnych procesów produkcyjnych, droższych |
Używanie FR-4 do projektowania PCB
• Elektronika użytkowa - Zapewnia stabilny materiał bazowy, który poradzi sobie z codziennym użytkowaniem i podstawowymi potrzebami energetycznymi.
• Sterowanie i automatyka przemysłowa - FR-4 oferuje stałą wydajność w systemach, które wymagają trwałości i stałej funkcjonalności w czasie.
• Zasilacze i przetwornice - W przypadku obwodów, które pracują poniżej bardzo wysokich częstotliwości, FR-4 zapewnia izolację i wydajność, które spełniają wymagania.
• Projekty wrażliwe na koszty - Gdy liczy się budżet, FR-4 pozwala utrzymać niższe koszty produkcji bez rezygnacji z niezawodności.
Ograniczenia FR-4 i lepsze alternatywy
Gdy FR-4 nie jest odpowiedni
• Obwody wysokiej częstotliwości - powyżej około 6–10 GHz FR-4 powoduje większe straty sygnału, co sprawia, że nie nadaje się do zaawansowanych projektów RF lub mikrofalowych.
• Bardzo wysokie szybkości transmisji danych - W przypadku prędkości takich jak PCIe Gen 5 i wyższe (25+ Gb/s), FR-4 dodaje zbyt duże opóźnienia i straty wtrąceniowe, zmniejszając integralność sygnału.
• Warunki wysokotemperaturowe - Standardowy FR-4 zaczyna się szybciej rozkładać pod wpływem temperatur wyższych niż około 150 °C, co czyni go niewiarygodnym do długotrwałego użytkowania w takich środowiskach.
Alternatywy dla FR-4
| Materiał | Przypadek użycia |
|---|---|
| Laminaty Rogers | Konstrukcje RF i mikrofalowe wymagające niskich strat sygnału |
| Kompozyty PTFE | Bardzo niskie straty dielektryczne dla precyzyjnych obwodów o wysokiej częstotliwości |
| Poliimid | Wytrzymałość na wysokie temperatury w trudnych warunkach |
| Ceramika | Ekstremalna wydajność i trwałość w warunkach obciążenia |
Klasy i zastosowania FR-4
Standardowy FR-4
Norma FR-4 ma temperaturę zeszklenia (Tg) około 130–150 °C. Jest to najczęstszy gatunek, stosowany w elektronice, sprzęcie biurowym i standardowych przemysłowych systemach sterowania.
Wysoki Tg FR-4
FR-4 o wysokiej Tg oferuje Tg 170–180 °C lub wyższą. Gatunek ten jest wymagany w procesach bezołowiowego i jest stosowany w elektronice samochodowej, płytach lotniczych i innych konstrukcjach, które wymagają wyższej stabilności termicznej.
FR-4 o wysokim CTI
FR-4 o wysokim wskaźniku CTI zapewnia porównawczy wskaźnik śledzenia (CTI) wynoszący 600 lub więcej. Jest wybierany do zasilaczy, przekształtników i obwodów wysokiego napięcia, w których wymagane są bezpieczne odległości upływu i odstępu.
Bezhalogenowy FR-4
Bezhalogenowy FR-4 ma właściwości podobne do typów standardowych lub o wysokiej Tg, ale unika się w nim środków zmniejszających palność na bazie halogenów. Jest stosowany w projektach przyjaznych dla środowiska, które muszą być zgodne z normami środowiskowymi RoHS i REACH.
Problemy z integralnością sygnału w FR-4
Problemy
FR-4 wykorzystuje tkaną tkaninę szklaną dla wytrzymałości, ale ten splot nie jest idealnie jednolity. Podczas trasowania par różnicowych jedna ścieżka może przechodzić głównie przez wiązki szkła, które mają wyższą stałą dielektryczną, podczas gdy druga ścieżka przechodzi przez żywicę, która ma niższą stałą dielektryczną. Ta nierównomierna ekspozycja powoduje, że sygnały przemieszczają się z nieco innymi prędkościami, tworząc tak zwane skośność o splocie włókien.
Wpływ
Różnica w prędkości między tymi dwoma sygnałami prowadzi do niezgodności czasowej. Przy dużych szybkościach transmisji danych to niedopasowanie objawia się jako niesymetryczność różnicowa, dodany jitter, a nawet zamknięcie diagramu oka. Efekty te mogą zmniejszyć integralność sygnału i ograniczyć wydajność szybkich kanałów komunikacyjnych.
Rozwiązania
Prowadzenie par różnicowych pod kątem 10–15° do splotu pomaga zapobiegać wyrównywaniu ścieżek bezpośrednio z wiązkami szkła. Wybór tkanin szklanych do rozciągania, takich jak style 3313, sprawia, że właściwości dielektryczne są bardziej jednolite na całej planszy. Przesuwające się pary różnicowe zapewniają, że obie ścieżki napotykają podobną mieszankę materiałów. Niesymetryczność budżetu w symulacjach chronometrażu pozwala przewidzieć i uwzględnić te efekty przed produkcją.
Zagrożenia związane z wilgocią i niezawodnością w FR-4
Skutki wilgoci
• Redukcja Tg podczas rozpływu - Pochłonięta wilgoć obniża temperaturę zeszklenia, co sprawia, że materiał jest mniej stabilny podczas i może prowadzić do rozwarstwienia.
• Degradacja dielektryczna - Przy wysokich częstotliwościach wilgoć zwiększa straty dielektryczne, co obniża jakość sygnału w konstrukcjach o prędkości GHz.
• Przewodzące filamentowanie anodowe (CAF) - jedno z najpoważniejszych zagrożeń, CAF występuje, gdy jony miedzi migrują przez żywicę epoksydową pod wpływem polaryzacji elektrycznej, tworząc ukryte ścieżki przewodzące, które mogą powodować zwarcia między ścieżkami lub przelotkami.
Zmniejszenie problemów z wilgocią
• Przechowuj deski w suchym i szczelnym miejscu, aby chronić przed wilgocią.
• Upiecz deski przed użyciem, jeśli były wystawione na działanie wilgoci.
• Wybierz FR-4 odporny na CAF do konstrukcji o dużej gęstości lub wysokim napięciu.
• Przestrzegaj zasad odstępów z IPC, aby zmniejszyć ryzyko wystąpienia zwarć.
Czynniki, które należy sprawdzić przed zakupem FR-4
• Określ klasę laminatu i arkusz cięcia IPC-4101, aby uniknąć nieporozumień.
• Uwzględnij wartości stałej dielektrycznej (Dk) specyficznej dla częstotliwości i współczynnika rozpraszania (Df) dla zamierzonego pasma roboczego.
• Potwierdź wymagania termiczne za pomocą Tg ≥ 170 °C i Td > 300 °C dla bezołowiowego i długotrwałej stabilności termicznej.
• Zwróć uwagę na chropowatość folii miedzianej w przypadku warstw o dużej prędkości, aby zminimalizować straty wtrąceniowe.
• Zwróć uwagę na wskaźnik porównawczy śledzenia (CTI) podczas projektowania ścieżek wysokiego napięcia.
• Wybierz laminat odporny na CAF do gęstych pól przelotowych lub zastosowań wysokonapięciowych.
• Dodaj instrukcje dotyczące obchodzenia się z wilgocią lub przechowywania, aby kontrolować wilgoć i zapobiegać rozwarstwianiu.
• Poproś o rozłożystą tkaninę szklaną dla par różnicowych, aby zmniejszyć skos splotu włókien.
Wnioski
FR-4 oferuje wytrzymałość, izolację i opłacalność, dlatego pozostaje standardowym materiałem PCB. Mimo to ma ograniczenia w warunkach wysokiej częstotliwości, dużej prędkości lub wysokiej temperatury. Znając jego czynniki elektryczne, termiczne i niezawodności oraz wybierając odpowiedni gatunek, możesz zapewnić stabilną wydajność lub przełączyć się na lepsze alternatywy, gdy wymagają tego projekty.
Często zadawane pytania [FAQ]
Co to jest IPC-4101 w FR-4?
Jest to norma, która określa właściwości laminatu FR-4, takie jak Tg, Dk i absorpcja wilgoci.
Czym różni się FR-4 od płytek PCB z rdzeniem metalowym?
FR-4 jest przeznaczony do ogólnych płytek drukowanych, podczas gdy płytki drukowane z metalowym rdzeniem wykorzystują aluminium lub miedź dla lepszego odprowadzania ciepła.
Czy FR-4 może być stosowany w elastycznych płytkach drukowanych?
Nie, FR-4 jest sztywny. Może być tylko częścią sztywno-elastycznych projektów z warstwami poliimidu.
Jaka jest absorpcja wilgoci przez FR-4?
Około 0,10–0,20%, co może obniżyć stabilność, jeśli nie jest odpowiednio pieczone lub przechowywane.
Czy FR-4 jest dobry do obwodów wysokiego napięcia?
Tak, gatunki o wysokim wskaźniku CTI (CTI ≥ 600) są stosowane w zasilaczach i przetwornicach.
Dlaczego chropowatość folii miedzianej ma znaczenie w FR-4?
Szorstkie folie zwiększają straty sygnału; Gładkie folie poprawiają wydajność przy dużych prędkościach.